JP2006018304A - 放電ランプを設計する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最小のサイズ、高い光効率、及び小さな熱負荷を有する放電ランプを設計する方法、このような方法により設計されたランプ、ならびにこのランプに適したリフレクタを提供する。
【解決手段】楕円の前記離心率ｅ_０を
ｅ_０＝ｅ_ａ（γ′）−Δｅ（γ′，Ｅ，ｇ） 式３
により前記集光系に適応させ、ここで、
【数１】

及び
【数２】

であり、ｇは放電ランプのアーク長であるとする。
【選択図】なし

Description

本発明はとりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタ内に設けられた集光系とともに使用する放電ランプを設計する方法、ならびに、このような方法により設計されたランプ及びこのような方法により設計されたリフレクタに関する。

データ投影又はビデオ投影用のディジタルプロジェクタの市場は、ＤＬＰ技術の発明以来、世界的規模で著しく成長している。この益々の普及は何よりも次のことに基づいている。すなわち、使用される技術のおかげでプロジェクタは益々安価に製造できるようになっており、日常のオフィス業務においてモバイル使用できるほどのコンパクトなサイズで設計されているということに基づいている。

ディジタルプロジェクタの光学系（光エンジン）は通常マイクロディスプレイパネルを有している。このパネルは原則的に表面に駆動可能なピクセルが配置されたチップである。パネルはプロジェクタの光学系により照明され、生じた像が投影対物レンズにより壁に投影される。原則的に、マイクロディスプレイの３つの主要タイプ、すなわち、ＤＭＤ、ＬＣＤ、ＬＣｏＳが区別される。プロジェクタの小型化はとりわけこのマイクロディスプレイパネルのサイズに、また使用される光源にも依存する。ＬＣＤパネルを備えたプロジェクタの基本構造は例えば特許文献１に記載されており、一方ＤＭＤパネルの機能に関しては、ＤＬＰ方式（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 登録商標）に関するテキサスインストルメント社の関連特許出願が参照される。

前記のディジタル投影システムにおいては、光源として、例えば非特許文献１にビデオ及び投影ランプ（ＶＩＰランプ）として記載されているような高圧放電ランプが主に使用される。この高圧放電ランプはガラスリフレクタに挿入されたトーチを有している。この種の高圧放電ランプを設計する際には、非常に高い温度が生じてもリフレクタもトーチも熱損傷しないように注意しなければならない。通常、このトーチはほぼ中央に配置された放電室を有しており、この放電室は直径に沿って対向して配置された２つのトーチシャフトへと変化していく。このトーチシャフトは比較的長いため、出力された放射の一部はシャフトの端部へ反射し、それによりシャフトは強い熱負荷に晒される。特許文献２では、シャフトの端部に熱絶縁層として機能するとともに、生じた放射を反射する反射層を設け、それによってこの領域におけるトーチの余分な加熱を防止することができるようにすることが提案されている。択一的に又は付加的に、冷却空気の供給を行ってもよい。しかし、このために必要なファンはプロジェクタの全体的サイズならびに騒音放出を増大させてしまう。
ＵＳ ５，９０２，０３３ ＥＰ １ ２２０ ２９４ Ａ１ インターネット〈ＵＲＬ：ｗｗｗ．ｏｓｒａｍ．ｃｏｍ〉

本発明の課題は、最小のサイズ、高い光効率、及び小さな熱負荷を有する放電ランプを設計する方法、このような方法により設計されたランプ、とりわけ、放電ランプ、ならびにこのランプに適したリフレクタを提供することである。

上記課題は、集光系、とりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタ内に設けられた集光系とともに使用する放電ランプを設計する方法であって、前記放電ランプは電極を収容した放電管を有するトーチを備えており、該トーチは楕円リフレクタに挿入されており、楕円面のジオメトリが、とりわけ２つの焦点Ｆ_１，Ｆ_２によって、離心率（ｎｕｍｍｅｒｉｓｃｈｅ Ｅｘｚｅｎｔｒｉｚｉｔａｅｔ）ｅ_０によって、ならびに２つの楕円半軸ａ，ｂによって決定されており、前記集光系はエテンデューＥと受光角γ′とによって特徴付けられるものとした方法において、
楕円の前記離心率ｅ_０を
ｅ_０＝ｅ_ａ（γ′）−Δｅ（γ′，Ｅ，ｇ） 式３
により前記集光系に適応させ、ここで、

及び

であり、ｇは放電ランプのアーク長であるとすることにより解決される。

本発明によれば、リフレクタの設計はエテンデュー（光伝導度）や集光系の受光角や使用される放電ランプの放電アークの長さのような少数のパラメータに依存して行われる。離心率（ｎｕｍｍｅｒｉｓｃｈｅ Ｅｘｚｅｎｔｒｉｚｉｔａｅｔ）、すなわち、楕円リフレクタの形状は、これらのパラメータによって決定される。その際、受光角に依存して計算される離心率がエテンデューとアーク長とに依存する適応値によって補正される。すなわち、この適応値によってリフレクタの集光系への適応が行われる。

このように、本発明によれば、楕円の形状はこれらのパラメータに依存して求められる。なお、パラメータのうちの２つ（エテンデュー及び受光角）は光学系によって予め与えられており、一方で第３のパラメータ（アーク長）は使用されるランプによって予め与えられている。それゆえ、集光系の最大効率はリフレクタの大きさとは無関係に保証されている。

このように、本発明によれば、極めて簡単な仕方で、楕円リフレクタのジオメトリを少数のパラメータに依存して例えばプロジェクタの集光系に最適に適応させることができる。

本発明によれば、さらにシステムの全体的なサイズを最小化するために、所定の離心率のもとで、冒頭に記載したリフレクタ又はランプの熱負荷が最小化されるように２つの楕円軸を選択することができる。

投影システムの放電ランプでは、放電アークは楕円リフレクタの焦点Ｆ_１（短い方の焦点距離）に配置されている。この焦点距離は本発明によれば≧８ｍｍに選択される。この寸法はコンパクトなサイズとトーチ及びリフレクタへの最小の熱負荷との間の最適な妥協であることが判明している。リフレクタの大きさは、トーチが完全に又はほとんどアパーチャホール内に入るように選択される。このアパーチャホールは、トーチの典型的な放射強度分布のゆえにリフレクタによる放射が生じない中央領域を意味するものと理解される。この条件（トーチ端部がアパーチャホール内にある）に従って、長い方の焦点距離はトーチシャフトの長さ及び直径ならびに前に計算された離心率に依存して求められる。トーチにより放射された光ビームはこの長い方の焦点距離において楕円リフレクタにより集束する。こうして、この焦点距離の情報に基づいて、簡単な幾何学的考察により２つの楕円軸を計算することができる。

トーチシャフトがアパーチャホールからいくらか突き出ることを許容すれば、ランプの全長はさらに短縮されうる。この場合、前記のパラメータに加えて、トーチがアパーチャホールから突き出る角度範囲が長い方の焦点距離の計算に含められる。

リフレクタの取付けに必要な全体的スペースは、互いに対して平行な間隔で配置されたそれぞれ２つの平坦部がリフレクタに設けられている場合に最小となる。この際、有利には一方の２つの平坦部の間隔は他方の２つの平坦部の間隔よりも小さい。

トーチは有利には高圧放電ランプとして実施される。

図１はビデオ投影用のＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクタの基本構造を示している。プロジェクタ１の光学系は実質的にＨＩＤランプ（高輝度放電ランプ）２、インテグレータ４、リレー光学系６、ＤＭＤチップ８、及び、スクリーン１２に像を投影する対物レンズ１０から構成されている。ＤＬＰ技術においてはたいていインテグレータ４とランプ２との間に配置された色相環が使用されるが、この色相環は図示されていない。ＨＩＤランプ２、インテグレータ４、リレー光学系６、ＤＭＤチップ８、及び、対物レンズ１０、これらの構成要素は光エンジンとも呼ばれる。

図２は図１のＨＩＤランプ２の拡大図である。これによれば、ＨＩＤランプ２はトーチ１４を有しており、トーチ１４のバルブはほぼ中央に放電管１６を有しており、放電管１６には軸方向に突き出た２つのトーチシャフト１８，２０が接続している。放電管１６内には、２つのタングステン電極２２，２４（図式的に図示）が配置されており、これらの電極は互いに対して所定の距離で配置されており、この距離が放電アークの長さｇ（図示せず）を決定する。

このようなＨＩＤランプの構造は周知であり、これは例えば非特許文献１にＶＩＰランプの名称で記載されているので、さらなる説明は不要である。

トーチ１４は、反射層を備えた楕円形の実質的に回転対称なリフレクタ２６に挿入されている。２つの電極２２，２４を有する放電管１６は、発生する放電アークがリフレクタ２６の焦点Ｆ１内にあるように配置されている。放電アークによって放電管１６内に生じた光は、インテグレータ４の入力アパーチャ内にあるリフレクタ２６により焦点Ｆ_２に写像される。放電アークは点光源ではないので、この写像は−図２に理想的な形で示されているように−正確に焦点Ｆ_２において点状である訳ではない。

ＨＩＤランプ２から放射される光は多重反射によりインテグレータ４内で均質化され、出口側でリレー光学系６を介してＤＭＤチップ８上に写像される。本来の像はこのＤＭＤチップ８を介して形成される。ＤＭＤチップ８上には、実施形態に応じて、光弁として作用する例えば６００，０００個の旋回可能なマイクロミラーが存在する。画像ピクセルは、ミラーの位置に応じて、形成されるか又は暗いままに留まることができる。ＤＭＤチップ８により反射された光はＤＭＤチップ８に前置された色相環から相応する色情報を得る。グレースケールと色合いは相応して比較的長い又は比較的短い反射時間によって再現される。ＤＭＤチップ８から出力された像は最終的に対物レンズ１０を介してスクリーン１２上に写像される。

プロジェクタ１を設計する際には、プロジェクタをできるだけコンパクト且つ高効率に形成することが試みられ、それにより輝度が高く、コントラストの良い艶やかな投影が可能となる。プロジェクタ１の集光系は通常、インテグレータ４、リレー光学系６、及びＤＭＤチップ８によって予め設定されているので、それに相応してＤＭＤチップ８のエテンデュー（面及び受光角）も定数として予め設定されている。

０．７″ＤＭＤチップ８のＤＭＤチップ８のミラーは通常１２°だけ偏向させられるため、ＤＭＤチップの受光角γもそれに相応して１２°である。この受光角はリレー光学系６によって拡大されるので、集光系の受光角γ′は２０°〜４０°である。したがって、既存の投影システムでは、最適化はふつうＨＩＤランプ２を適切に設計することによってしか行うことはできない。

ここで、所与のトーチが放電アークの所定の長さｇと、半トーチ１４の長さ（放電管１６の中点からトーチシャフト２０の端面までの距離）Ｌとを有しており（図２）、また既にある集光系がエテンデューＥと受光角γ′とを有している場合に、ＨＩＤランプ２の構成要素の熱負荷を最小化するできるだけコンパクトに形成されたリフレクタ２６を設計するものと仮定する。

リフレクタの楕円ジオメトリの設計
最初の設計ステップでは、まずリフレクタ２６のジオメトリを実質的に特徴付ける離心率ｅ_ａが求められる。これは

により求まる。ここで、γ′：受光角。

つづくステップでは、離心率に対する適応係数が計算される。適応係数は実質的にプロジェクタ１の前記パラメータに従属している。この適応係数Δｅは

により計算される。ここで、
ｇ：放電アークの長さ
Ｅ：エテンデュー
γ′：受光角。

離心率ｅ_０は離心率ｅ_ａと適応係数Δｅとの間の差から計算される：
ｅ_０＝ｅ_ａ（γ′）−Δｅ（γ′，Ｅ，ｇ） 式３
したがって、所定のリレー光学系６において、０．７″ＤＭＤチップ６のミラー傾斜角が１２°であり、エテンデューＥ＝２０ｍｍ^２ｓｒである場合、リレー光学系６により定まる受光角γ′に対して表１に示されている離心率ｅ_０が得られる。

したがって、楕円リフレクタ２６の基本形は前述の設計規則によって決定されている。リフレクタ２６を最小化するには、いくつかの熱設計基準を考慮しなければならない。

リフレクタのサイズの設計
冒頭で説明したように、非常に小さな楕円リフレクタでは、ワット数の高いトーチの動作時に熱的な問題が生じることがある。この場合、特にトーチ１４からリフレクタ２６までの距離がクリティカルである。というのも、距離が小さすぎると、トーチ１４とリフレクタ２６との間に狭い熱的接触が生じうるからである。これまでは、例えばガラスセラミック製の高価なリフレクタを使用するか又はセメントによってリフレクタのセラミック部分の中にトーチをセメント付けすることで、熱負荷を回避してきた。

別の熱的問題は、トーチシャフト２０が長いため、トーチシャフト２０が放射された光円錐の中に入り込み、光の吸収によって加熱されてしまうということにある。この問題を片づけるために、冒頭で挙げた特許文献２では、トーチシャフト２０の端部に反射層を設けることが提案されている。本発明はこの比較的コストのかかる解決手段を避け、リフレクタ２６を適切に設計することにより熱負荷を回避する。これは図２〜５の図式的な表現に基づいて説明される。

図３は楕円面を示している。リフレクタ２６はこの楕円面に倣って形成されている。この楕円面はとりわけ焦点Ｆ_１と焦点Ｆ_２とによって特徴付けられており、頂点２８から焦点Ｆ_１までの距離が焦点距離ｆ_１を定め、頂点２８から焦点Ｆ_２までの距離が焦点距離ｆ_２に相当している。図３にはさらに楕円面の半軸ａ（長半軸）及びｂ（短半軸）が記載されている。焦点Ｆ_１から射出した光ビームは楕円面により焦点Ｆ_２へと反射される。図３では、この光ビームは例として焦点Ｆ_２に対して角度γ′で入射する。

本発明によれば、トーチ１４は、トーチシャフト２０が、特にトーチシャフト２０の端面３２が、アパーチャ円錐３４により特徴付けられたアパーチャホール３５の内部に完全に位置するように、リフレクタ２６の光軸３０内に配置されている。アパーチャ円錐３４は写像の行われないトーチ１４の領域の境界を定めている。端面３２をこのアパーチャ円錐３４の中に入れると、リフレクタ２６により反射された放射がトーチシャフト２０に当たらないので、トーチシャフト２０が放射エネルギーの吸収によって付加的に加熱されることはない。

図２に示されている実施例では、端面３２は正確にアパーチャ円錐３４内にあるのではなく、その外周部３６（図４による拡大表示を参照）がアパーチャ円錐３４から突き出ている。図２及び４では、端面３２が完全にアパーチャ円錐３４内に入るような端面３２の位置が参照番号３２′で示されている。この位置を達成するには、軸方向に比較的短く形成したトーチ１４を使用しなければならない。

しかし、本発明によれば、図４に示されているように、外周部３６の僅かな突出は許容される。なお、この角度範囲は図４の角度ζにより特徴付けられ、２°未満、有利には１°未満でなければならない。

トーチシャフト２０の熱負荷を最小化すべき場合には、（３２′で示されている）端面は完全にアパーチャ円錐３４内に入れられる。トーチシャフト２０の長さＬと直径ｄが与えられれば、焦点距離ｆ_２は

により計算される。ここで、焦点距離比ｍは

である。この焦点距離比ｍは初めに計算した離心率ｅ_０に依存して求めることができる。

この焦点距離ｆ_２から、楕円の長半軸ａは

により求まり、楕円の短半軸ｂは

により求まる。

アパーチャ円錐３４からのトーチシャフト２０の僅かな突出が、したがってまたトーチ１４の僅かな熱負荷が許容される場合には、焦点距離ｆ_２は式８により計算される。

そこで再び式６，７から楕円の両半軸ａ，ｂを焦点距離ｆ_２と離心率ｅ_０とに依存して計算することができる。

焦点距離ｆ_１、すなわち、楕円面の頂点２８から放電管１６までの平均距離を８ｍｍより大きく選択すれば、トーチ１４の熱負荷を再び下げることができ、その結果、トーチとリフレクタとが確実に熱的に減結合される。

前記設計基準を１２°の傾斜角（１０％オーバーフィル）をもった０．７″ＤＭＤチップ８を有するプロジェクタに適用すれば、またその際にリレー光学系６により３０°の受光角が設定されるならば、相応して設定されるエテンデューＥ、受光角γ′、放電アークの長さｇ、トーチシャフト２０の長さＬ、トーチシャフト２０の直径ｄ、及び、アパーチャ円錐からのトーチシャフト２０の許容される突出に依存して、表２に示されている特性値が得られる。表２に示されている値は、非常に簡単な構成の式１〜８を用いて容易に計算することができる。

適応係数Δｅに起因する離心率の低下は、システムの最適効率だけでなく、焦点距離比ｍの上昇ももたらす。ゆえに、焦点距離ｆ_２を所与とすれば、ｆ_１が、したがって放電管１６とリフレクタ２６の頂点２８との間の距離がより大きくなる。

図５には、ＨＩＤランプ２に必要なスペースを最小化する別の方策が示されている。これによれば、リフレクタ２６は平坦部３８，４０と図５の描画面の上方及び下方にある２つの平坦部４２，４４とを備えている。なお、平坦部４２，４４は図５では破線で示されている。これらの平坦部は、図５においてハッチングして示されている領域を「切り離す」ことによって形成される。図５によれば、平坦部４２，４４では、平坦部３８，４０の場合に必要とされるよりも多くのマテリアルが元の円形リフレクタ２６から取り去られている。つまり、リフレクタ２６は図５の描画面に対して垂直な方向では描画面内におけるよりも狭い幅を有している。平坦部は全体的サイズと高効率との間の妥協である。

前記実施例では、ＨＩＤランプ２が使用されている。もちろん、寸法ａ，ｂの設計を顧慮して、他の放電ランプも、原則的には白熱ランプも使用することができる。また、説明してきたＤＭＤチップ８の代わりに、他のタイプのもの、例えば、説明の冒頭に挙げたタイプのものを使用してもよい。

本発明は、集光系とともに使用する放電ランプ、とりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタの放電ランプを設計する方法に関する。さらに、このような方法により設計されたランプ及びこのランプ用のリフレクタも開示されている。

高圧放電ランプと光学系とを備えたプロジェクタの概略図である。 図１の高圧放電ランプの楕円リフレクタのジオメトリを説明する基本図である。 図１の高圧放電ランプの拡大図である。 図３の高圧放電ランプの変種を示す。 平坦化されたリフレクタを有する高圧放電ランプの別の実施例を示す。 高圧放電ランプの放射強度分布を示す。

符号の説明

１ プロジェクタ
２ 高輝度放電ランプ
４ インテグレータ
６ リレー光学系
８ ＤＭＤチップ
１０ 対物レンズ
１２ スクリーン
１４ トーチ
１６ 放電管
１８ トーチシャフト
２０ トーチシャフト
２２ 電極
２４ 電極
２６ 楕円リフレクタ
３０ 光軸
３２ 端面
３２’ 端面
３４ アパーチャ円錐
３５ アパーチャホール
３６ 外周部
３８ 平坦部
４０ 平坦部
４２ 平坦部
４４ 平坦部

Claims (9)

1. 集光系、とりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタ内に設けられた集光系とともに使用する放電ランプを設計する方法であって、
   前記放電ランプは電極（２２，２４）を収容した放電管（１６）を有するトーチ（１４）を備えており、該トーチ（１４）は楕円リフレクタ（２６）に挿入されており、楕円面のジオメトリは、とりわけ２つの焦点（Ｆ_１，Ｆ_２）によって、離心率（ｎｕｍｍｅｒｉｓｃｈｅ Ｅｘｚｅｎｔｒｉｚｉｔａｅｔ）（ｅ_０）によって、ならびに２つの楕円半軸（ａ，ｂ）によって決定されており、前記集光系はエテンデュー（Ｅ）と受光角（γ′）とによって特徴付けられるものとした方法において、
   楕円の前記離心率（ｅ_０）を
   ｅ_０＝ｅ_ａ（γ′）−Δｅ（γ′，Ｅ，ｇ） 式３
   により前記集光系に適応させ、ここで、
   

   

   及び
   

   

   であり、ｇは放電ランプ（２）のアーク長であるとする、ことを特徴とする放電ランプを設計する方法。
2. 楕円の頂点（２８）に近い方の焦点距離（ｆ_１）を８ｍｍよりも大きく選択する、請求項１記載の方法。
3. 長い方の焦点距離（ｆ_２）を、
   

   

   により求め、ただしここで、
   

   

   であるとし、この長い方の焦点距離（ｆ_２）から楕円半軸（ａ，ｂ）を
   

   

   により計算する、請求項１又は２記載の方法。
4. 長い方の焦点距離（ｆ_２）を
   

   

   により求め、ただしここで、
   

   

   であるとし、この長い方の焦点距離（ｆ_２）から楕円半軸（ａ，ｂ）を
   

   

   により計算する、請求項１又は２記載の方法。
5. 集光系、とりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタ内に設けられた集光系とともに使用するランプ、とりわけ放電ランプであって、
   トーチ（１４）を有しており、該トーチ（１４）は電極（２２，２４）を収容した放電管（１６）を有し、且つ楕円リフレクタ（２６）に挿入されており、楕円面のジオメトリがとりわけ２つの焦点（Ｆ_１，Ｆ_２）によって、離心率（ｅ_０）によって、ならびに２つの楕円半軸（ａ，ｂ）によって決定されており、前記集光系がエテンデュー（Ｅ）と受光角（γ′）とによって特徴付けられるものである形式のランプにおいて、
   リフレクタジオメトリが請求項１から４のいずれか１項に記載の方法に従って設計されていることを特徴とするランプ。
6. 前記リフレクタ（２６）は光軸（３０）にほぼ平行に４つの平坦部（３８，４０；４２，４４）を備えており、それぞれ２つの平坦部（３８，４０；４２，４４）が互いに対して平行な間隔で配置されている、請求項５記載のランプ。
7. ２つの平坦部（４２，４４）の間の距離は他方の平坦部（３８，４０）の間の距離よりも短い、請求項６記載のランプ。
8. 前記トーチ（１４）は高圧放電ランプである、請求項５から７のいずれか１項記載のランプ。
9. 集光系、とりわけデータ投影又はビデオ投影用のプロジェクタ内に設けられた集光系とともに使用する放電ランプのためのリフレクタであって、
   トーチ（１４）を有しており、該トーチ（１４）は電極（２２，２４）を収容した放電管（１６）を有し、且つ楕円リフレクタ（２６）に挿入されており、楕円面のジオメトリがとりわけ２つの焦点（Ｆ_１，Ｆ_２）によって、離心率（ｅ_０）によって、ならびに２つの楕円半軸（ａ，ｂ）によって決定されており、前記集光系がエテンデュー（Ｅ）と受光角（γ′）とによって特徴付けられるものである形式のリフレクタにおいて、
   リフレクタジオメトリが請求項１から４のいずれか１項に記載の方法に従って設計されていることを特徴とするリフレクタ。

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